工業固廢在超高水材料中綜合利用的實驗研究

秦大健

（1.國家能源充填采煤技術重點實驗室，河北 邢臺 054000；2.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；3.河北充填采礦技術有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引 言

超高水材料作為一種煤礦充填開采技術的核心材料，在研發之初就是以保護煤礦地面生態環境為目的，在經過不斷的發展和改良后，逐步在煤礦充填開采、沿空留巷、空區回填、防滅火、防治水等多個技術領域得到廣泛的認可與應用，在使用過程中，材料固結體因含水率高的特性，使材料出現壓縮泌水的情況，從而影響材料的長期穩定性，如何在保證材料強度、控制材料成本的前提下提高超高水材料性能，也成為超高水材料急需解決的一個技術難題。本文主要通過在超高水材料中摻入不同比例的粉煤灰、粒化高爐礦渣粉（礦渣粉）、選鐵尾礦砂（尾砂）等工業固廢，研究超高水材料強度、壓縮率等性能變化，從而改進超高水材料性能，實現工業固廢的綜合利用。

1 實驗材料及實驗方法

1.1 實驗材料

工業固體廢物是指我國各工業領域在生產活動中年產生的對環境和安全影響較大的固體廢物，其中大宗工業固廢主要包括尾礦、煤矸石、粉煤灰、冶煉渣、工業副產石膏、赤泥和電石渣，現以粉煤灰、礦渣粉、尾砂為主要研究材料。

粉煤灰一般是指煤炭燃燒后產生的飛灰，實驗選取邯鄲武安市大唐電廠二級粉煤灰，45μm方孔篩篩余量為12.5%；礦渣粉是鋼鐵廠冶煉生鐵時產生的熔融物，經水淬形成的工業固體廢渣，烘干粉磨形成的一種具有潛在水硬性膠凝材料，實驗選取邢臺沙河市金隅詠寧水泥廠S95級礦渣粉，45μm方孔篩篩余量為1.8%，比表面面積422 m2/kg；尾砂一般是指金屬礦石經破碎、粉磨、選礦后殘留的固體廢棄物，實驗選取邢臺沙河市橫森選鐵廠尾砂，其45μm方孔篩篩余量為15.4%。

實驗選取的粉煤灰、礦渣粉、尾砂，主要化學成分分析見表1。

表1 化學成分分析（%）Table 1 Analysis of chemical composition(%)

超高水材料由A料、B料兩種純無機粉體材料組成，使用時取等量材料加入與同比例的水中分別攪拌，攪拌完成后在待充填區域附近混合，最后輸送至待充填區域完成充填。該實驗選用河北紫晨超高水材料公司生產的材料，單軸抗壓強度如圖1所示。

圖1 超高水材料單軸抗壓強度Fig.1 Uniaxial compressive strength of super-high water material

1.2 實驗方法

將粉煤灰、礦渣粉、尾砂分別放入紅外烘干箱中烘干，取出放置至常溫備用；在20±2℃的實驗室溫度下，稱取等量的已摻入外加劑的超高水材料A料、B料，按表2配比將等量的粉煤灰、礦渣粉、尾砂分別摻加至A料與B料中，分別加水攪拌3 min后，再混合攪拌3 min，水溫控制在20±1℃；最后將混合好的材料裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的三聯試模中刮平，將試模密封后放入濕度≥90%、溫度20±1℃的恒溫恒濕養護箱中養護至所需齡期，最后對不同配比、不同齡期試塊進行試驗，使用SANS數顯伺服壓力機獲得材料單軸抗壓強度。

表2中外摻固廢是指粉煤灰、礦渣粉、尾砂3種工業固廢，試驗時在原水固比（水與A、B料質量和之比）為6∶1、5∶1的超高水材料中，分別用3種工業固廢按照表2配比進行試驗，最終得出不同材料、不同配比的實驗數據。實際水固比是指水與固體物料總質量之比。

表2 試驗配比（質量比例）Table 2 Test ratio(mass proportion)

根據表3實驗方案，在原超高水材料水固比6∶1時，根據摻入不同量礦渣粉28 d齡期試塊的單軸抗壓強度，利用壓力機設定不同的壓力，將試塊置于試模中使試塊處于受限空間，測定在達到設定壓力且壓力穩定時，試塊壓縮高度的變化情況，從而得到壓縮率變化規律。

表3 外摻不同量礦渣粉壓縮率實驗Table 3 Compression ratio experiment with different amount of slag powder

2 實驗結果

按表2實驗方案，分別對超高水材料原樣及摻加了粉煤灰、礦渣粉、尾砂的超高水材料強度進行檢測，測得摻加不同工業固廢、不同齡期超高水材料單軸抗壓強度如圖2～圖4所示。

圖4 摻加尾砂不同齡期試塊抗壓強度Fig.4 Compressive strength of test blocks with milltailings at different ages

根據圖2～4實驗結果可知，在超高水材料中摻加粉煤灰、礦渣粉、尾砂后，材料抗壓強度均有所提高，摻加量越大，材料強度越高；摻加不同材料時，強度增加的幅度有所不同，且材料強度前期增長幅度較小，后期增幅較大；同時在實驗過程中觀察可知，隨著工業固廢摻加量的增大，材料實際水固比不斷降低，導致混合漿液粘度逐漸增加，漿液流動性也逐漸變差，材料失去流動性，達到初凝狀態所需的時間也逐漸變短。

圖2 摻加粉煤灰不同齡期試塊抗壓強度Fig.2 Compressive strength of test blocks with fly ash at different ages

圖3 摻加礦渣粉不同齡期試塊抗壓強度Fig.3 Compressive strength of test blocks with slag powder at different ages

在原超高水材料水固比為6∶1時，摻加粉煤灰至材料實際水固比達到2.4∶1時，與原超高水材料相比1 d強度增長5.9%，至28 d時強度增長達14.7%，摻加礦渣粉1 d和28 d強度增長率分別為11.8%和23.5%，摻加尾砂1 d和28 d強度增長率分別為2.9%和8.8%；在原超高水材料水固比為5∶1時，摻加粉煤灰至材料實際水固比達到2.4∶1時，與原超高水材料相比1d強度增長8.3%，28 d強度增長23.1%，摻加礦渣粉1 d和28 d強度增長率分別為20.8%和48.4%，摻加尾砂1 d和28 d強度增長率分別為8.3%和13.2%。由此可知，在摻加相同量的工業固廢時，摻加礦渣粉對超高水材料強度提高最為明顯，粉煤灰次之，尾砂對材料強度的影響最小。在原超高水材料水固比5∶1時，分別摻加粉煤灰、礦渣粉、尾砂至實際水固比達到2.4∶1時的強度對比如圖5所示。

圖5 相同配比摻加不同工業固廢強度對比Fig.5 Strength comparison of different industrial solid waste with same ratio

根據表3實驗方案，將原水固比為6∶1的超高水材料，摻加不同量礦渣粉制成的試塊分別置于特制試模中，試模五面固定，僅留上表面可移動壓縮，從而能夠使試塊處于五面受限狀態，各面留有小孔泌水，通過壓力機設定壓力進行穩壓壓縮實驗，由于超高水材料具有強度修復及二次水化特性，試塊強度隨壓縮率不斷增加而增大，直至試塊強度能夠抵消給定壓力，使試塊達到穩定，穩定后的試塊壓縮率不再變化[3]，此時通過測量試塊的壓縮高度，得到材料壓縮率變化情況，如圖6所示。

圖6 不同摻量礦渣粉試塊壓縮率Fig.6 Compression rate of test block with different content of slag powder

水固比6∶1的超高水材料固結體原樣壓縮率在相同設定穩定壓力下壓縮率最高，最易壓縮泌水，隨著在超高水材料中礦渣粉摻加量的增加，材料固結體在相同設定穩壓下壓縮率也不斷降低，在給定壓力1.5 MPa時，超高水材料原樣穩定壓縮率為64.4%，摻加礦渣粉比1.5后穩定壓縮率為35.4%，最終壓縮率降低45%，材料壓縮泌水缺陷得到明顯改善，原因在于超高水材料中隨著礦渣粉摻加量的增加，材料實際水固比不斷降低，固結體中水含量減少而固體含量增加，使材料固結體在強度增加的同時，能夠泌出的水量也有所減少，出現材料壓縮率隨礦渣粉摻加量的增加而降低的現象。

通過圖中曲線還可看出，在材料固結體中，隨著設定穩壓的不斷升高，試塊壓縮率均出現先緩慢增長，而后快速增長，又趨于穩定的現象，結合材料強度可知，在設定穩壓達到材料最大單軸抗壓強度之前，材料壓縮率增長速度較低，當設定穩壓超過材料最大單軸抗壓強度后，隨著設定穩壓的升高，材料壓縮率快速增長，材料中自由水大量泌出，當設定穩壓達到一定值后，材料中自由水已基本泌出，剩余固結體含水率較低，可壓縮空間不足，從而使材料壓縮率趨于穩定。

4 結 論

（1）在超高水材料中摻加工業固廢粉煤灰、礦渣粉、尾砂后，材料單軸抗壓強度均會有所增加，且在一定范圍內摻加量越大，材料強度越高。其中摻加礦渣粉時超高水材料強度增長最明顯，粉煤灰次之，尾砂對材料強度增長最小。

（2）隨著工業固廢在超高水材料中摻量的增加，材料相對含水率減少，材料實際水固比降低，導致材料漿液粘度逐漸增加，流動性變差，在實際應用中應注意工業固廢摻加量對漿液流動性能的影響，確保漿液正常輸送。

（3）在相同水固比的超高水材料中摻加不同量的礦渣粉后，相同的壓力條件下，隨著超高水材料中礦渣粉摻加量的增加，材料固結體壓縮率不斷降低，說明在超高水材料中摻加一定的工業固廢可有效改善超高水材料壓縮泌水的缺陷。

（4）當給定壓力低于材料最大單軸抗壓強度時，超高水材料固結體壓縮率增長較為緩慢，泌水量較小，當給定壓力超過材料最大強度后，隨著給定壓力的增大，材料壓縮率首先快速增加，出現大量泌水，而后泌水量減少，壓縮變形量趨于平穩。